基于DSP的復合勵磁恒壓同步發電機控制器
丁曉峰，劉景林，張鑫
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：通過采用數字電壓調節器對復合勵磁同步發電機進行自適應控制，實現發電機的高精度穩壓輸出。分析了復合勵磁同步發電機的工作原理，設計了一套以DsP2407為控制核心的復合勵磁同步發電機控制器，對主功率電路、勵磁電路和控制電路進行了分析和設計，并對該套電路進行了試驗測試，性能指標符合要求。
關鍵詞：復合勵磁；同步發電機；DsP2407；控制器
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0042—04
0引 言
基于DsP的復合勵磁恒壓同步發電機集電機、電力電子技術、高性能微型處理器、新材料等技術于一體，是兼有高科技含量和市場前景的新型機電一體化產品。與傳統的發電機相比，性能指標顯著提高。該種發電機電壓調整率很小，具有接近水平的外特性，全自動調壓，可動態實時調節輸出功率，發電機適應負載范圍寬，過載能力強，節能效果明顯，可顯著改善供電品質，提高供電系統的可靠性，使不同的用電負載之間的相互干擾和影響降低到****限度，是未來發電機發展的主要方向之一。
本文設計了一套以DSP2407為控制核心的復合勵磁同步發電機控制器，DsP2407將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，具有靈活的指令集、內部操作靈活性、高速的運算能力、改進的并行結構和有效的成本，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案。另外，對+27 V和±13 V主功率電路、±13 V中線調零電路、勵磁驅動電路和控制電路進行了分析和設計，并對該套電路進行了試驗測試，測試結果符合系統性能指標要求。
1 復合勵磁同步發電機
同步電機主要用作發電機，工農業生產和日常生活中所用的電能一般均是由同步發電機供給的。現在廣泛應用的是普通的電勵磁同步發電機，這種發電機的磁場控制可以方便地通過勵磁電流的調節來實現，輸出實時勝較好，但運行效率低。永磁發電機制成以后，難以調節磁場以控制其輸出電壓和功率因數，且永磁材料的溫度系數較大，在其原動機、負載或者環境溫度變化時將引起發電機輸出電壓的波動，影響負載的正常工作，從而限制了它的應用范圍。
自適應復合勵磁恒壓同步發電機的出現，較好地解決了永磁發電機的電壓難以調節的困難，綜合了永磁發電機和電勵磁發電機的特點，使兩種模式優勢互補，從而獲得優越的性能。由于稀土永磁體具有高磁能積和高矯頑力，特別是高內稟矯頑力，采用稀土永磁后可以增大氣隙磁密，從而縮小電機體積，減輕質量，提高功率質量比。
復合勵磁稀土永磁同步發電機是一種能解決永磁發電機電壓調節問題的新型發電機，這種發電機可以看成是由兩部分組成：主要部分和稀土永磁發電機相同，稱為主發電機部分；而輔助調節電壓的部分類似于電勵磁發電機，稱為輔助電勵磁部分。兩部分共有一套電樞繞組，主發電機部分承擔主要的能量輸出任務，電壓調節所需要的磁場變化部分由輔助電勵磁部分的電勵磁繞組來實現。這種復合勵磁稀土永磁同步發電機具有以下特點：
(1)輔助電勵磁部分的損耗小，具有永磁發電機的高效率特點；
(2)磁場調節方便，解決了永磁發電機電壓調節難的問題；
(3)勵磁電流比電勵磁發電機小得多，勵磁損耗小。
2系統總體設計
圖l為系統總體框圖。在本系統中，通過分析系統的功能和比較各微處理器的性能等，最終系統選擇DSP2407作為控制系統的核心。控制電路的主要作用是通過對發電機輸出量，控制器輸出量進行在線測量，將在線測量值送人DsPA407進行數據處理，從而對發電機的勵磁及控制器中的主功率驅動電路協調控制，實現閉環及保證在可變負載條件下均能保持輸出電壓穩定不變，用電設備始終工作在****狀態。
3控制器硬件設計
3．1 DSP最小系統及外圍電路
在本最小系統中，選擇DSP2407作為它的核心器件，有源晶振的頻率為10 MHz，4倍頻之后，DSP2407可以達到它的****工作頻率40 MHz。如圖2所示。JTAG口可以實現DSP2407的在線仿真。由于DSP2407采用高性能靜態cMOs技術，使得供電電壓降至3．3 V，減小了控制器的功耗，同時外擴存儲器時也需選擇3．3 v供電的存儲器，本系統選擇了IS61LV6416。IS61LV6416為3．3 V供電、64 k高速cM0s靜態數據存儲器，****可達8 ns。由于在中線調零電路中的中線電壓有可能為正，也有可能為負，而。DSP22407內部自帶的A／D轉換器的輸入范圍為O～3．3 V，所以采用了電壓輸入范圍為-lO～lO v的AI)7862進行模數轉換之后再送入DSP2407。AD7862的供電電壓為5 V，所以在送人DsP2—407之前需要進行電平轉換，將O～5V轉換到O～3．3 V，本系統采用LV他45。
3．2 27 V一路主功率電路
復合勵磁恒壓同步發電機發出36 V交流電，通過全橋整流可產生50 V直流電，然后由BucK電路斬波降壓，如圖3所示。由信號s他7輸入PwM波信號來控制功率管Q5的導通與關斷，通過調節PwM波的占空比控制功率管的導通時間，從而達到輸出電壓為27V的目的。
圖3中D10、R22和C15構成了緩沖保護電路，由于功率管在開通時會產生沖擊電流，關斷時會產生沖擊電壓，這些都會影響功率管的正常工作，縮短功率管壽命。在本系統中功率管的關斷所產生的沖擊電壓是影響電路正常工作的主要原因，因此本電路系統對主功率的降壓斬波電路中的功率管都加有針對開關管關斷時的緩沖保護電路。當Q5關斷時，負載電流經二極管D10給電容充電，Q5集電極電流逐漸減小。因為電容c15兩端電壓不能突變，Q5集電極與發射極兩端電壓上升率dv/dt被限制，電容越大，dv/dt越小，即dv/dt=Im/c，式中Im為負載****電流。Q5集電極電壓被電容電壓牽制，在這種情況下，不會出現集電極電壓和集電極電流同時達到****的情況，因而不會出現****的瞬時尖峰功耗。在圖3中，D11、L2、C16和C17，構成了續流電路。輸入電流在功率管的作用下是脈動的，輸出電流在電感、電容和二極管的作用下是連續的、平穩的。
3.3±13 V一路主功率電路
如圖4所示，±13 V一路主功率電路可以看作是由一般的BucK電路通過變形組合而獲得的，Q6、Q7、Q8和Q9分別與相應的電感、電容以及保護電路構成了四個斬波降壓器，功能實現同27 V一路主功率電路。其中LA-28NP和LV-28P分別電流互感器和電壓互感器。
此電路中R29和R30作為分壓電阻，阻值相等，所以將50 V(Dc)分成兩個25 V，然后分別通過上下兩個斬波器斬波降壓至13 v。
為了如果進一步穩定±13 V的電壓，采用了中線調零技術，通過電壓互感器Lv-28t，對d、B兩點電壓差進行采樣，當A點電壓高于B點時，說明+13 V一路電壓值的****值大于-13 v一路電壓值的****值，此時就給Q8輸入PwM波控制信號進行斬波降壓直到兩點電壓差為零。同樣，當B點電壓高于A點時，處理方法類似。
3.4 H橋勵磁電路
控制器的核心思想是電壓穩定輸出，因此首先要穩住發電機機端電壓，因此勵磁控制部分很重要。圖5為H橋勵磁電路，當檢測到發電機輸出電壓低于額定值時，將通過DsP控制Q1和Q3的導通進行正向勵磁；當輸出電壓高于額定值時就使Q2和Q4導通進行反向勵磁，從而達到穩定電壓的目的。
3．5 A／D轉換電路
由于±13 V一路的中線調零電路中的電壓采樣值有可能為正，也有可能為負，而DsP2407中自帶的AD轉換器的模擬輸入量為0～3．3 v，因此得另選一款模數轉換芯片。AD7862是美國AD公司推出的一種高性能、低功耗、單+5 v電源工作的雙12位4通道雙路同時采樣轉換高速模數轉換器，AD7862-10芯片的模擬輸入范圍為一10～10 v，因此在本系統中選用該芯片對±13 v一路的中線調零電路中的電壓采樣值進行模數轉換。
AD7862在本控制系統中的接線方式如圖6所示。由于本系統只接了AI)7862的8根數據總線，DBll是AD7862的****信號位，也是用于判斷采樣電壓的正負號位，因此將數據線中的DB7接到AD7862的****位數據位DBll上。AD7862的片選端接在DsP的IOPK引腳，通過DSF’輸出O和1從而控制AD7862的選通與否。模數轉換信號(8腳)由接在DSP的IOPcO引腳控制，AD7862在本系統中只用于對±13 V一路中線調零電路中的電壓采
樣進行模數轉換，即只有一個模擬輸入量(svM)，通過將Ao置零選擇A組通路，從圖6可以看出，啟動A／D轉換后，第一個讀信號讀取Avl，第二個讀信號讀取Av2，因而在本系統中將A組兩路信號輸入端接在一起，第二個讀信號讀取的仍然是svM信號。
3．6其它硬件電路
DsP2407產生的PwM波和過流保護信號一起經邏輯綜合電路(GAl20V8)進行邏輯綜合送入反向放大器后再經過光電耦合電路后分別送人IR2130、IR2118和[R2110驅動芯片進行勵磁電流調節，輸出電壓調節和±13 v一路中線調零控制。此外，為了提高系統可靠性，該電路設計了過流保護電路。
電路中還采用光電隔離等技術，在控制電路與功率驅動之間利用光電耦合器件TLP558芯片組成隔離電路，并適當加粗主功率及接地線路的布線寬度，提高驅動系統的電磁兼容性和抗干擾能力，提高工作的穩定性。
總之，硬件部分設計的宗旨是：合理設計硬件電路，實現發電機機端電壓穩定輸出以及盡可能地提高整個電路的抗電磁干擾的能力。
4控制器軟件設計
系統中控制任務的實現是靠控制軟件來完成的，控制軟件的設計將直接決定整個系統的控制性能。DsP2407軟件編程語言通常有c語言和匯編語言，本系統采用直接面向硬件的匯編語言，因為這種低級語言是直接對硬件操作的語言，每一條匯編語句對應一定的硬件操作，意義明確，調試時十分方便，而且每條匯編語句都有固定的機器周期，因此使用匯編語言能對時間進行精確的控制。
本系統的控制軟件主要分為系統正常工作模塊和故障工作模塊兩大類。正常工作模塊可以分為以下幾個模塊：
(1)勵磁控制模塊；
(2)27 v(Dc)一路主功率電路斬波控制模塊；
(3)±13 V(Dc)主功率電路斬波控制模塊；
(4)中線調零電路斬波模塊。
故障工作模塊可分為以下幾個模塊：
(a)勵磁控制電路出現過流情況；
(b)27 V(Dc)主功率電路出現過流情況；
(c)±13 V(Dc)主功率電路出現過流情況。
圖7為主程序流程圖。其中左側為系統正常工作程序，右側為故障模塊產生故障信號，系統進行故
障處理的程序。系統在初始化完后，首先要從全波整流橋的電壓采樣值判斷是否需要加直流勵磁電流，若需要則要判斷是加正向直流勵磁電流還是加反向直流勵磁電流，讓H橋按要求開通以穩住復合勵磁同步發電機的輸出端電壓。第二步，將直流27V端電壓采樣值送人DsP中進行PID控制算法運算，將算出的占空比的數值送人相應的寄存器中以控制27 V一路的PwM波，從而實現直流27 V一路的電壓相對穩定輸出。第三步，將直流一13 V端電壓采樣值送人DsP中進行PID控制算法運算，將算的占空比的數值送入相應的寄存器中以控制-13V一路的PwM波。第四步，將直流+13 V端電壓采樣值送人DsP中進行PID控制算法運算，將算出的占空比的數值送人相應的寄存器中以控制+13 V一路的PWM波。第五步，根據中線電壓采樣值判斷是否需要開啟中線調零電路，若需要則要判斷是上管導通還是下管導通，開關管開通大小依據從中線中采得的電壓值經AD7862數模轉換后送人D，sP中進行PID運算處理后算出的值來執行。最后程序進入循環體。
當系統中任何一路出現過流情況時，由綜合邏輯控制電路對相應的故障線路實行封鎖，待故障清除后，由故障工作子程序對故障線路實現自恢復處理，而不影響其它的正常幾路的工作。
5測試結果
表1為在空載和加不同負載時所測試的結果。隨著負載的變化，電壓基本穩定在27 V，符合系統的性能指標。
本控制器是一個高精度、高實時性的控制器，使復合勵磁恒壓同步發電機具有接近水平的外特性，電壓穩定，電壓調整率小于百分之3，可以為負載提供穩定性良好的電力。
|
